Università degli Studi di Catania Modulo di ... · (farmacologia, con uso di agonisti ed...
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Principi di farmacodinamica
Filippo Caraci
Università degli Studi di Catania
Modulo di Psicofarmacologia
Corso di Laurea Magistrale in Psicologia
Farmacodinamica
Farmacodinamica e’ la descrizione delle proprieta’ dell’interazione
farmaco-recettore.
P. Ehrlich, immunochimica [tossina-antitossina], chemioterapia [trattamento delle
malattie infettive con chemioterapici derivati da coloranti]
Un farmaco puo’ esplicare un effetto terapeutico solo se
“ possiede il tipo di affinita’ appropriata… il gruppo reattivo
della molecola protoplasmatica che si combina col farmaco
verra’ denominato recettore.”
Concetto di Recettore
Natura del recettore
1. Proteina; lipoproteina o glicoproteina
2. Generalmente localizzata nella membrana
cellulare
3. Massa moleculare nel range di 45-200 kd,
puo’ essere costituito da subunita’.
4. Frequentemente glicosilato
5. Kd del legame farmaco-recettore (1-100 nM);
binding reversibile e stereoselettivo.
6. La specificita’ del binding non e’ assoluta, il
farmaco si lega a diversi tipi di recettori
7. I recettori sono saturabili, perche’ presenti in
numero finito
8. Il binding specifico ai recettori risulta nella
trasduzione del segnale ad un sito intracellulare.
9. Puo’ richiedere il legame di piu’ di una molecola di
farmaco al recettore per generare il segnale.
10. L’ordine di grandezza del segnale dipende dal
numero di recettori occupati o dalla velocita’ di
occupazione dei recettori; il segnale e’ amplificato da
meccanismi intracellulari.
11. Agendo a livello dei recettori i farmaci possono
aumentare, diminuire o bloccare la generazione o la
trasmissione del segnale.
12. I farmaci sono modulatori dei recettori e non
conferiscono nuove proprieta’ alle cellule o ai tessuti.
13. I recettori devono avere proprieta’ di riconoscimento e
trasduzione.
14. I recettori possono essere up-regulated or down-
regulated.
Una cellula che esprime un dato “recettore” é un bersaglio („target‟)
Neurotrasmettitore
o fattore di crescita
Recettore
di membrana
N
Ormone
steroideo
N
Recettore
nucleare
1TM
7TM
canali
E1 E2
Cross-talk
Controllo di variabili: modulazione di sistemi citoplasmatici a breve termine
Controllo di variabili: modulazione nucleare
a lungo termine
R R T T
Classi di recettori di membrana:
1. Canali ionici regolati da ligandi
2. Canali ionici voltaggio-dipendenti
3. Recettori accoppiati a G-proteine
4. Recettori con attivita’ tirosina kinasi
canali
Recettore
di membrana
N
Acetilcolina (nicotinici)
ATP/UTP (P2X)
Glutammico/Aspartico
(NMDAR, Kainato,AMPAR)
Glicina
Serotonina (5HT3)
1TM
CITOCHINE
FATTORI di CRESCITA
Insulina, GH, PRL, EPO
Attivina, AMH, TGF-beta1
7TM
VARI NEUROTRASMETTITORI
CHEMOCHINE
PROSTAGLANDINE
LEUCOTRIENI, TROMBOSSANI
ORMONI PEPTIDICI
(ACTH, ADH, Angiotensina,
Bradichinina, adrenalina, calcitonina,
glucagone, ossitocina, paratormone,
TSH….
Natura del recettore
1. Proteina; lipoproteina o glicoproteina
2. Generalmente localizzata nella membrana
cellulare
3. Massa moleculare nel range di 45-200 kd,
puo’ essere costituito da subunita’.
4. Frequentemente glicosilato
1. Canali ionici regolati da ligandi
• Recettore nicotinico per l’acetilcolina (Ach)
– Placca della giunzione neuromuscolare nel muscolo
scheletrico, gangli autonomici e SNC
– Il binding dell’Ach genera segnali elettrici via Na + and
K + influx
• Recettore GABA
– Tipo A, inibitorio, Cl- influx, e.g. benzodiazepine
2. Canali ionici voltaggio-dipendenti
• nervi, cuore e muscolo scheletrico
• Depolarizzazione di membrana, modifica conformazionale,
il canale si apre, Na+ e Ca++ influx
• Blocco del recettore, meccanismo degli anestetici locali, di
alcuni antiaritmici, antiepilettici,stabilizzanti del tono
dell’umore, anti-ipertensivi.
Rappresentazione grafica di Canale voltaggio sensibile
Cancello
Sensore di
voltaggio
Membrana
cellulare Membrana
cellulare
Canale ionico
Canali voltaggio sensibili
Localizzazione in zone di bassa soglia per lo scatenamento
del potenziale d’azione
• segmento iniziale dell’assone
• nodi di Ranvier
• profondità delle invaginazioni postsinaptiche (muscolo)
• fibre rapide: atrio, ventricolo, fibre di His, fibre di Purkinje
FARMACI ATTIVI
• anestetici locali
• antiaritmici classe I (chinidinosimili, lidocaina, propafenone)
• anticonvulsivanti e stabilizzanti del tono dell’umore (PTH, CBZ, OXC,
• FB, LTG, TP)
• veleni
batracotossina, DDT, piretrine, ne prevengono l’inattivazione
tetrodotossina, saxitossina li bloccano
del Na+
CICLO ATTIVAZIONE /INATTIVAZIONE DEI CANALI IONICI
VOLTAGGIO SENSIBILI
(potenziale di
membrana negativo
e canale chiuso)
(fine del potenziale d’azione e chiusura del canale)
Stato di riposo
Stato attivo (insorgenza di potenziale d’azione ed apertura del canale)
Stato inattivo ripolarizzazione
Canali voltaggio sensibili del Ca++
SNC N esocitosi neurotrasmettitori
T eccitabilità
Musc. schel. T eccitabilità
Musc. liscio L; T contrazione; eccitabilità, attività
ritmica
Cuore L fase lenta di depolarizzazione, ingresso
di Ca++, attivazione dei rec. per la rianodina*,
liberazione di Ca++, contrazione
T eccitabilità, attività ritmica,
* Una anomalia di questo recettore è responsabile dell’ipertermia maligna
Canali voltaggio sensibili
SOSTANZE CAPACI DI DETERMINARNE LA CHIUSURA
• tossine (cobra: β-bungarotossina,tossina botulinica)
• Ca++ antagonisti (diidropiridine *: nifedipina, nimodipina, amlo-
dipina; fenilalchilamine: verapamile ; benzotiazepine:
diltiazem )
•antiepilettici: etosuccimide e zonisamide (canaliT); lamotrigina
(canali L)
● β bloccanti (per riduzione della stimolazione adrenergica)
* maggiore affinità per i canali L della muscolatura liscia; più attivi in vivo sul cuore
(NSA e AV)
del Ca++
3. Recettori accoppiati a G-proteine
• cAMP, IP3 (inositolo trifosfato), DAG (diacil glicerolo)
La cascata di eventi comprende
– Legame farmaco-recettore
– Attivazione di una G proteina di membrana
– Attivazione di un enzima di membrana
– Generazione di un secondo messaggero
– Attivazione di kinasi intracellulari
4. Recettori con attivita’ tirosina kinasi
• Recettori per i fattori di crescita. es. insulina, EGF, PDGF
• Nerve Growth Factor (NGF), Brain Derived neurotrophic
• Factor (BDNF)
– Dominio extracellulare e dominio intracellulare, autofosforilazione
– Esclusivamente sui gruppi OH- dei residui di tirosina
#
#
TGF-ß1 is a neurotrophic factor which may inhibit cell cycle
activation through the induction of CDK inhibitors
TGF-ß1 interacts with a high-affinity
transmembrane receptor complex
consisting of the activin-like kinase 5
(ALK5)/TGF-ß type I receptor and the
TGF-ß type II receptor (TßRII)
subunits
Smad-
dependent
signaling
Smad-independent
signaling
ERK and PI-3-K
pathways
Canonical Wnt Signaling Pathway
With Wnt
Fz
LRP
Dsh
Axin GSK3
APC
β-catenin
P
TCF
TLE
Target genes
proteasome
Wnt
β-catenin
β-catenin
β-catenin
• Neuroprotection
• Neuronal homeostasis
• Cyclin D1
t-Cell Factor/transducin-like enhancer of split 1
MAPK
(ERK/JNK)
AP-1
PKA
PKC rsk
P
fos-jun
P
P
jun-jun
P
Famiglia FOS
C-fos
Fra 1
Fra 2
Fos B
Famiglia JUN
C-jun
Jun B
Jun D
I fattori di trascrizione AP-1
sono frequentissimi substrati della trasduzione
Dinamismo recettoriale
- Desensitizzazione
(1) disaccoppiamento del recettore
(2) internalizzazione e sequestrazione
(3) down-regulation e degradazione enzimatica
- Sensitizzazione
Ormone tiroideo, b recettori miocardici ,
aumento frequenza cardiaca
Il legame recettore-agonista spesso provoca la rapida
attenuazione della responsività recettoriale
(DESENSITIZZAZIONE)
3. down-regulation dei recettori totali a seguito
della ridotta sintesi di mRNA e di proteina,
e/o della degradazione lisosomiale
2. internalizzazione del recettore
1. disaccoppiamento recettore-proteine G in
risposta alla fosforilazione del recettore
Desensitizzazione
recettoriale
PKC PKA
a g
b a
g b
AC
PLCb P P
1. Il sistema più rapido di desensitizzazione:
il disaccoppiamento recettore-proteine G in risposta
alla fosforilazione del recettore tramite PKA e/o PKC
GRK
a b
g
P P P
-arrestina b
La fosforilazione tramite GRK spesso non è sufficiente per inattivare completamente i recettori; la completa inattivazione richiede un componente addizionale, l’arrestina
a b
g
1. disaccoppiamento recettore-proteine G in risposta alla fosforilazione del recettore tramite le GRK (G protein-
coupled receptor Kinase)
Risensitizzazione
SIGNAL
effector
La fosforilazione con GRK e il legame di barrestina può portare alla internalizzazione del recettore tramite vescicole rivestite di clatrina
Degradazione
Internalizzazione
Desensitizzazione
I farmaci e/o i neurotrasmettitori si legano ai recettori con:
(1) Legami ionici – elettrostatici, r2
(2) Legami a idrogeno, r4
(3) Legami (forze) di Van der Waals, r7
(4) Legami covalenti
1. L’interazione farmaco-recettore segue la legge d’azione di massa.
a. Le molecole di farmaco si legano ai recettori con una velocita’
che e’ funzione della concentrazione del farmaco
b. Il numero delle interazioni farmaco-recettore determina
l’ordine di grandezza dell’effetto del farmaco.
Relazione dose-risposta
Teoria dell’occupazione semplice di A.J. Clark
Nella teoria dell’occupazione semplice di A.J. Clark assumiamo:
(1) l’ampiezza dell’effetto farmacologico (E) e’ direttamente
proporzionale a XR
(2) L’effetto massimo (Emax) si osserva quando tutti i recettori
sono legati a X
Discrepanza Nella teoria dell’occupazione semplice di A.J. Clark • Alcuni dati sperimentali indicano che l’effetto massimo
puo’ osservarsi, in molti casi, con un’occupazione <100%;
con una certa frazione di recettori non occupata (recettori
di riserva o spare receptors)
Agonisti – composti che attivano processi recettore-mediati via
interazioni reversibili basati sulla legge di azione di massa.
3. Agonisti e Antagonisti
La figura mostra una serie di
agonisti con diverse affinita’
per lo stesso recettore
ED50 ci informa sulla potenza
relativa es. A e’ 20-30 volte
piu’ potente di B.
L’efficacia (correlata all’attività intrinseca del farmaco) e’ la risposta
massima che un farmaco e’ in grado di produrre quando sono stati
occupati tutti i recettori disponibili
La potenza e’ una misura della dose necessaria (per un dato farmaco) a
produrre una risposta (es. ED50 )
Tutti e quattro i farmaci hanno la stessa efficacia.
Eccezione al modello occupazionale di Clark: Relazione
non-lineare tra l’occupazione e la risposta
[X] + [R] [XR] E(effetto)
Attivita’ intrinseca o efficacia introdotta da Ariens e
Stephenson (1956): qualita’ inerenti del farmaco,
independenti dalla concentrazione, che modulano l’effetto.
Attivita’ intrinseca o efficacia
Esempio: stessa affinita’ (i.e. stessa ED50), efficacia diversa, A e’ 2.5
volte piu’ efficace di C (agonista parziale) effetto duale (anche
antagonista).
Antagonisti recettoriali sono composti che
diminuiscono o prevengono l’effetto dell’agonista
endogeno e sono generalmente classificati come:
1) Competitivi
2) Non competititvi
1. competitivo – per lo stesso binding site; l’efficacia
dell’agonista puo’ essere recuperata per concentrazioni
sufficientemente elevate (antagonismo sormontabile), come in
figura.
2. noncompetitivo, inibizione allosterica, l’effetto non puo’
essere recuperato aumentando la concentrazione di agonista
(antagonismo non sormontabile)
Senza antagonista
Con piu’ o meno antagonista
Altri tipi di antagonismo (non recettoriale):
Antagonismo fisiologico – meccanismo compensatorio
per mantenere l’omeostasi
Antagonismo chimico – formazione di complessi
(antidoti, interni o esterni)
Antagonismo farmacocinetico – induzione enzimatica
che aumenta il metabolismo e/o l’eliminazione.
IL FENOMENO DEL
SINERGISMO
• Sinergismo con potenziamento
• Sinergismo con addizione
• Sinergismo con riduzione
• Sinergismo con inversione
La sinapsi
La sinapsi chimica e’ una
evoluzione della modalita’
elettrica (sinapsi elettrica) di
trasmissione del segnale; essa
aggiunge:
Specializzazione
Complessita’
Modulabilita’
Plasticita’
Il neurotrasmettitore e la molecola rilasciata nella sinapsi che veicola il messaggio intercellulare
La sinapsi e’ una struttura asimmetrica
L’elemento presinaptico e’ specializzato nella trasduzione
elettrico-chimica e nella secrezione di un messaggero
extracellulare (NEUROTRASMETTITORE);
L’elemento post-sinaptico e’ specializzato nella ricezione
del messaggio chimico (possiede RECETTORI specifici) e
nella successiva trasduzione metabolica o elettrica del
messaggio.
Come si identifica un
neurotrasmettitore?
Localizzazione
(inclusa analisi biochimica
microcitochimica
immunocitochimica)
Rilascio
(microdialisi, dimostrazione della
Ca2+-dipendenza)
Possibilita’ di riprodurne gli effetti
mediante applicazione esogena
(farmacologia, con uso di agonisti ed
antagonisti appropriati)
I neurotrasmettitori vengono definiti “eccitatori” o “inibitori
A seconda che inducano nel neurone postsinaptico:
un EPSP (Excitatory Post-Synaptic Potential)
Oppure
un IPSP (Inhibitory Post-Synaptic Potential)
Neurotrasmettitori
Amino acidi
-Glicina
-GABA
-A. glutammico
-A. aspartico
Acetilcolina
Serotonina (5-HT)
Istamina
Catecolamine
-Dopamina
-Noradrenalina
-Adrenalina
Peptidi
-Oppioidi
-Sostanza P
-Neuropeptide Y
-Neurotensina
-Ecc…
Altre sostanze
-Cannabinoidi
-Purine
-Prostanoidi
-NO
-Citochine
-Ecc…
Glicina H2N
O
OH
Neurotrasmettitore inibitorio, particolarmente abbondante nella sostanza grigia del
midollo spinale (interneuroni inibitori)
Recettori-canale ( conduttanza Cl-) – sottotipi, significato funzionale poco noto
Agonisti: taurina, beta-alanina
Antagonista: Stricnina
GABA
Neurotrasmettitore inibitorio
GABAA, Recettori-canale ( conduttanza Cl-)
Agonista: muscimolo
Antagonisti: bicucullina, picrotossina
GABAB, Recettori accoppiati a Gi
Agonista: baclofene
Antagonisti: 2-OH saclofene, CGP 35348
H2N
O
OH
Acido Aspartico
H2N
O
OH
HO O
NH2
O
OH HO
O
Acido Glutammico
Neurotrasmettitori eccitatori
Recettori-canale
Agonisti (sottotipi): Kainato, AMPA, NMDA
Antagonisti: MK-801, CNQX
Recettori metabotropici (accoppiati a G prot.) (quando presinaptici sono inibitori)
Agonisti: ACPD, quisqualato
Antagonista: MCPG
Acetilcolina N+
O
CH3
O CH3
CH3
Neurotrasmettitore eccitatorio, ma anche inibitorio (M2)
Recettori nicotinici (Recettori-canale)
pentameri
Isoforme nel CNS: alfa 2-4/beta 2-4
Recettori muscarinici (accoppiati a G prot.)
Sottotipi: M1-4
Antagonisti: Atropina, pirenzepina,
metoctramina
Istamina
N HN
NH2
Neurotrasmettitore eccitatorio
Recettori accoppiati a G prot.
Sottotipi: H1,2
Agonisti: fenilistamina, dimaprit
Antagonisti: mepiramina, ranitidina
Serotonina (5-HT)
NH
NH2
HO
Neurotrasmettitore eccitatorio, ma anche inibitorio (5-HT1A)
Recettori 5-HT3 (Recettori-canale)
Recettori accoppiati a G prot.
Sottotipi: 5-HT1A-F, 5-HT2A-C,
5-HT4-7
Farmacologia complessa (molteplici recettori, molteplici agonisti ed antagonisti disponibili)
Catecolamine – recettori accoppiati a G-prot.
-Dopamina Sottotipi recettoriali: D1-5
Agonisti: D1, SKF8393; D2, quinpirolo, bromocriptina
Antagonisti: D1, fenotiazine; D2, fenotiazine, butirrofenoni
-Noradrenalina, eccitatorio o inibitorio Sottotipi recettoriali: alfa1-2; beta1-2
Agonisti: fenilefrina, clonidina, isoproterenolo, salbutamolo
Antagonisti: prazosina, yoimbina, atenololo, butoxamina
-Adrenalina (ormone della midollare del surrene)